不同截面形状的挤压玻璃纤维增强塑料（GFRP）型材对网络性能的破坏性影响

《Engineering Structures》：Web crippling behaviour of pultruded GFRP profiles with different shapes of cross-sections

本研究通过系统实验分析三种截面形状（C、B、I型）的玻璃纤维增强聚合物（PGFRP）型材在局部承压下的失效机制，结合数字图像相关技术测定有效承压长度，并与现有设计公式对比，提出适用于不同加载和失效模式的PGFRP型材局部承压设计公式。

　　

郑盼登|张攀|于涛

香港理工大学土木与环境工程系，九龙红磡

摘要

在横向集中载荷作用下，纤维增强聚合物（PGFRP）型材的腹板屈曲是一种关键的失效模式。由于PGFRP型材的各向异性和脆性，其腹板屈曲行为与钢材型材有显著不同。本文首先对三种典型截面形状（即槽形截面、箱形截面和I形截面）的PGFRP型材进行了系统的实验研究，包括局部承载试验。测试样品来自四个不同的供应商，对其材料性能进行了全面表征，以便分析和比较腹板屈曲试验结果。其他试验变量包括加载配置和承载长度。采用数字图像相关（DIC）技术监测样品腹板上的应变变化，以研究载荷传递和失效机制，DIC结果首次实验性地获得了三种不同截面形状PGFRP型材的有效承载长度。基于试验结果，详细讨论了关键参数对PGFRP型材腹板屈曲行为的影响及其背后的机制，并将其与现有研究中的设计公式预测进行比较，以评估其适用性。根据实验结果，开发了一套新的设计公式，适用于不同的加载和失效情况。

引言

在过去几十年中，由于具有重量轻、强度高和优异的耐腐蚀性等优点，纤维增强聚合物（PGFRP）型材在各种工程结构中的应用日益广泛[1]、[2]、[3]、[4]。与钢材型材类似，常用的PGFRP型材形式包括I形截面、箱形截面、槽形截面和角形截面。然而，在材料性能方面，PGFRP与各向同性材料钢材有本质区别。由于大部分纤维沿纵向排列，PGFRP在纵向方向上的刚度和强度远高于横向方向。此外，PGFRP的线性弹性行为不允许像钢材那样进行应力重分布。因此，现有的关于钢材型材的知识和设计概念不能简单应用于PGFRP型材。

在横向集中载荷作用下，腹板屈曲是钢材型材的一种常见失效模式[5]。已经对钢材型材的腹板屈曲进行了大量研究，从而得出了可以提供准确预测的设计公式[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。最近也有一些关于PGFRP型材腹板屈曲的研究[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]，吴等人还发表了一篇综述[17]。这些研究表明，PGFRP型材的腹板屈曲可能表现为三种失效模式：腹板屈曲、腹板压碎和腹板-翼缘连接（WFJ）失效，且通常比钢材型材更为严重：前两种失效模式主要取决于PGFRP型材在弱横向方向的性能（即刚度和抗压强度），而最后一种失效模式部分是由于PGFRP型材的各向异性，这在钢材型材中从未出现过。此外，腹板中的前两种失效模式可能会相互作用，导致由于屈曲效应而降低腹板屈曲能力[12]。然而，这些现有研究的测试结果相当分散，部分原因是由于各自测试中使用的材料不同。值得注意的是，不同制造商生产的PGFRP型材在横向方向的性能可能存在很大差异，而大多数现有研究仅采用了来自单一制造商的产品。此外，现有研究中经常缺少关于PGFRP型材材料性能（如横向抗压强度和横向抗压模量）的一些重要信息，这使得难以全面分析测试结果。

在PGFRP型材的腹板屈曲测试中使用了多种加载配置，包括单翼缘端部加载（EOF）[10]、内翼缘端部加载（IOF）[10]、[18]、[19]、双翼缘端部加载（ETF）[11]、[13]、[15]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、内翼缘中部加载（ITF）[11]、[13]、[15]、[20]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、端部与固体地面接触加载（EG）[20]、[21]、[25]、[29]、[31]以及内翼缘中部与固体地面接触加载（IG）[20]、[21]、[25]、[29]，其中ETF和ITF加载配置似乎最为常见。研究表明，加载配置对PGFRP型材的腹板屈曲能力有显著影响[11]、[14]、[15]、[20]、[21]、[22]、[25]、[27]、[29]。相比之下，只要满足特定的几何标准，样品长度的影响有限。这些标准通常来自现有的钢材设计规范/代码[6]、[7]、[8]，要求保持至少1.5倍样品高度的清晰距离。对于IOF和EOF配置，该距离是指两个相邻承载板边缘之间的距离；对于ITF、ETF、IG和EG配置，则是指从单个板边缘到样品端部的距离。

另一个影响PGFRP型材腹板屈曲行为的重要参数是承载长度。根据大多数现有测试结果[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[32]，可以预期腹板屈曲能力会随着承载长度的增加而提高。然而，有两项研究观察到了相反的趋势：一项针对槽形截面型材[29]，另一项针对箱形截面型材[21]。载荷能力随承载长度增加而减小的现象归因于这两种研究中失效模式的变化，而这种变化背后的机制及影响因素仍有待研究。除了物理承载长度外，一些研究人员[10]、[15]、[16]、[22]、[25]、[27]还采用了有效承载长度的概念，以考虑承载载荷作用的区域不仅限于承载板正下方的区域。值得注意的是，两组研究人员根据使用DIC技术获得的应变分布曲线定义了有效承载长度，每组都基于自己的实验结果。一组[15]、[27]基于ITF和ETF加载条件下的槽形截面实验，将有效承载长度的边界定义为应变迅速降至接近零的位置；另一组[10]、[16]基于IOF和EOF加载条件下的I形截面实验，通过线性拟合应变分布曲线来确定有效承载长度。由于这些研究基于不同的截面形状和加载条件，因此需要进一步的实验研究来验证和更好地理解有效承载长度。

鉴于上述背景，本文对PGFRP型材的腹板屈曲行为进行了全面研究。为了填补关于截面形状和材料性能对腹板屈曲失效机制影响的研究空白[17]，实验程序涵盖了三种典型截面形状：槽形截面（即C形截面，单对称截面）、箱形截面（即B形截面，双对称截面，具有两个腹板）和I形截面（即双对称截面，具有一个腹板）。测试样品来自四个不同的供应商，具有不同的材料性能。其他试验变量包括加载配置和承载长度。对PGFRP型材的材料性能进行了全面表征，为腹板屈曲测试结果的比较分析提供了完整记录。重要的是，所有测试样品都配备了必要的仪器，以研究载荷传递和失效机制。特别是采用了数字图像相关（DIC）技术，这是一种非接触式的全场应变测量技术，用于监测样品腹板上的应变变化，以研究载荷传递和失效机制。DIC结果使得能够系统地评估三种不同截面形状的有效承载长度。这是首次全面实验性地评估截面几何形状对PGFRP型材有效承载长度的影响。此外，将测试结果与现有研究中提出的设计公式预测进行比较，以评估其适用性，并根据实验结果开发了一套新的设计公式。

测试样品

共对36个PGFRP样品进行了局部承载试验，涵盖了两种加载配置（即ETF和ITF）、两种承载板长度（即50毫米和100毫米）以及三种截面形状（即C形截面、B形截面和I形截面），样品来自四个供应商：C形截面样品均购自南京备用复合材料有限公司（以下简称A公司）；B形截面样品则来自两家不同的供应商，分别是南通Strongrate Fiber公司

具有C形截面的PGFRP型材

在ETF加载条件下，承载长度为50毫米的C形截面样品（即C80-A-ETF-50组）因腹板屈曲/弯曲而失效，导致腹板中部出现一条明显的纵向裂纹（见图8a）。这里使用“腹板屈曲/弯曲”一词，是因为对于C形截面样品，加载偏心可能会引起弯曲应力。由于未测量平面外的腹板位移，因此无法明确区分纯粹的屈曲和弯曲

设计公式评估

已经提出了多种用于计算PGFRP型材在ITF和ETF加载配置下腹板屈曲能力的设计公式，包括Fernandes等人[12]、Chen和Wang[20]、Haloi等人[13]以及Fernandes等人[41]针对I形截面的公式，Wu和Bai[25]以及Chen和Wang[21]针对B形截面的公式，Zhang和Chen[29]、Wu等人[27]以及Wu等人[15]针对C形截面的公式。此外，还开发了其他设计公式

结论

本文介绍了对四种不同供应商提供的三种截面形状（即槽形截面、箱形截面和I形截面）PGFRP型材腹板屈曲行为的实验研究结果，这些样品在几何和材料性能方面具有广泛的代表性。实验程序包括各种类型的材料性能测试和全尺寸局部承载试验，并配备了全面的仪器。基于这些结果和讨论

CRediT作者贡献声明

郑盼登：撰写——原始草稿，调查，正式分析，数据管理。于涛：撰写——审阅与编辑，监督，方法论，资金获取，概念化。张攀：撰写——审阅与编辑，验证，调查，正式分析，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢香港特别行政区政府和香港理工大学（G-SACP）的环境与保护基金（项目ID：102/2020）提供的财务支持。